Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben einen neuen Mechanismus entdeckt, der die Effizienz der Wasserstoffproduktion durch Wasserspaltung steigern kann.
Diese Forschung, veröffentlicht In ACS Angewandte Materialien und Schnittstellenwurde auf dem Titelblatt der Zeitschrift vorgestellt und bietet neue Einblicke in das Verhalten der Wasserreaktivität und des Protonentransfers unter extremen Bedingungen und schlägt mögliche Strategien vor, um die Leistung von Elektrokatalysatoren für die Wasserstoffproduktion zu verbessern und gleichzeitig den Katalysator vor Zersetzung zu schützen.
Die Wasserstoffproduktion durch photoelektrochemische Wasserspaltung gilt seit langem als „Heiliger Gral“ der Elektrochemie. Ein Schlüssel für den breiten Einsatz dieser Technologie ist die Entwicklung eines aktiven, langlebigen und dennoch erschwinglichen elektrokatalytischen Systems.
Gemeinsam mit der Columbia University und der University of California, Irvine, haben Wissenschaftler des LLNL eine neue Strategie entwickelt, um das Gleichgewicht zwischen Aktivität und Haltbarkeit von Elektrokatalysatoren zu verbessern, indem sie den Katalysator mit ultradünnen und porösen Titandioxidschichten einkapseln.
Das von Daniel Esposito geleitete Columbia-Team hatte zuvor berichtet, dass die nanoporösen Oxide, die Platin-Nanopartikel bedecken, die Haltbarkeit des Systems verbessern könnten, ohne die katalytische Aktivität zu beeinträchtigen, entgegen der allgemein verbreiteten Ansicht: Das Bedecken der Katalysatoroberfläche würde die katalytische Aktivität stark beeinträchtigen. Die nanoporöse Struktur scheint auch die Selektivität zu verbessern, indem sie Wasserspaltungsreaktionen gegenüber konkurrierenden Prozessen begünstigt.
In ihrer Studie verwendeten die Wissenschaftler des LLNL fortgeschrittene Molekulardynamik-Simulationen (MD) mit einem maschinellen Lernpotenzial, das aus First-Principles-Berechnungen abgeleitet wurde. Diese Plattform ermöglicht die Erforschung der potenziellen Energieoberfläche und der Reaktionskinetik mit außerordentlicher Genauigkeit in Maßstäben, die mit herkömmlichen First-Principles-Ansätzen nicht erreicht werden. Die Simulationen zeigten, dass Wasser, das in Nanoporen kleiner als 0,5 Nanometer eingeschlossen ist, eine deutlich veränderte Reaktivität und Protonentransfermechanismen aufweist. Insbesondere beobachtete das Team, dass die Einschließung die Aktivierungsenergie für den Protonentransport senkt.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass in extrem beengten Umgebungen die Aktivierungsenergie für die Wasserdissoziation reduziert ist, was zu häufigeren Protonentransferereignissen und schnellem Protonentransport führt“, sagte Hyuna Kwon, Materialwissenschaftlerin in der Quantum Simulations Group und im Laboratory for Energy Applications for the Future (LEAF) des LLNL. „Diese Erkenntnisse könnten den Weg für die Optimierung poröser Oxide ebnen, um die Effizienz von Wasserstoffproduktionssystemen durch die Abstimmung der Porosität und Oberflächenchemie der Oxide zu verbessern.
„Unsere Studie stellt daher die gemeinsamen Anstrengungen dreier DOE-Zentren dar und unterstreicht das Engagement des LLNL zur Verbesserung der Technologien zur Produktion von erneuerbarem Wasserstoff“, sagte Kwon.
Zu den weiteren LLNL-Co-Autoren des Artikels gehören Marcos Calegari Andrade, Tuan Anh Pham und Tadashi Ogitsu.
Mehr Informationen:
Hyuna Kwon et al., Confinement-Effekte auf den Protonentransfer in TiO2-Nanoporen aus maschinellen Lernpotential-Molekulardynamik-Simulationen, ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen (2024). DOI: 10.1021/acsami.4c02339